简介
AES，全称Advanced Encryption Standard（高级加密标准），是由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年正式颁布的。其设计初衷在于替代早期的数据加密标准（DES），以实现更高层次的数据安全保障。AES算法遵循对称加密原则，意味着加密过程与解密过程采用同一密钥进行，确保了加密操作的简洁性与高效性。
此算法灵活支持多种密钥长度选项，最为常见及广泛采用的是128位、192位以及256位密钥长度。随着密钥长度的增加，加密的安全性也相应提升，但这也伴随着对计算资源需求的增加。因此，在实际部署AES加密时，需综合考虑数据的敏感程度、安全保护级别以及可承受的计算资源成本，以做出最为适宜的密钥长度选择。
一、工作原理
加密过程
字节替换（SubBytes）：在此步骤中，AES算法采用一个称为S盒（Substitution box）的预定义置换表，对输入数据的每一个字节进行非线性替换。S盒的设计旨在增加加密过程中的混淆度，使得即使微小的输入变化也能导致输出结果的显著不同，从而极大地提升了加密的复杂性和难以预测性。
行移位（ShiftRows）：行移位操作针对数据块中的每一行执行循环左移，但每行的移动距离各异。这种差异性的行移位策略有助于在加密过程中进一步实现数据的水平扩散，使得数据的任何微小变动都能迅速影响到整个数据块，增强了加密的安全性。
列混合（MixColumns）（除最后一轮外）：在AES加密的大部分轮次中，列混合步骤通过一个固定的多项式矩阵与数据块的每一列进行矩阵乘法操作。此操作不仅进一步混淆了数据，还通过引入非线性变换增强了加密过程的复杂性和安全性。然而，值得注意的是，在加密过程的最后一轮中，通常会省略列混合步骤，以简化对应的解密过程，同时保持加密强度的平衡。
轮密钥加（AddRoundKey）：轮密钥加步骤是AES加密过程中的一个关键环节，它通过将当前轮次的轮密钥与数据块进行异或运算，将密钥信息直接融入到加密过程中。这种异或操作确保了每轮加密都基于不同的密钥，从而增加了破解的难度。同时，由于异或运算的可逆性，它也为解密过程提供了便利。
解密过程
AES的解密流程严格遵循加密过程的逆序操作原则。它首先通过相同的密钥扩展算法，重新生成与加密阶段完全一致的轮密钥序列。随后，从加密过程中的最后一轮开始，逐步逆向执行解密步骤：首先执行逆行移位，恢复数据块中各行在加密过程中被循环左移的状态；接着是逆字节替换，利用S盒的逆置换表将字节还原至其原始状态；然后（除了第一轮外），执行逆列混合，通过逆矩阵乘法操作恢复数据列的原始组合；最后，进行轮密钥加，再次利用异或运算将密钥信息从加密结果中剥离，以还原出原始的明文数据。
特别强调的是，解密与加密共享同一套密钥，这是对称加密的核心特性。因此，确保密钥的安全存储与传输，防止未授权访问，对于维护数据的整体安全性具有至关重要的作用。
二、代码示例
在Java中，利用AES算法进行数据加密和解密是一项直接且高效的任务，这得益于Java标准库中的javax.crypto包，它提供了一个全面的加密框架和丰富的API支持，包括了对AES等多种加密算法的实现。
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Base64;
public class AESExample {
// AES 密钥长度（128位、192位、256位），这里使用128位
private static final int AES_KEY_SIZE = 128;
// 加密方法
public static String encrypt(String plainText, String secretKey) throws Exception {
// 将密钥转换为AES密钥规范
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "AES");
// 创建Cipher实例，并初始化为加密模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec);
// 对明文进行加密
byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 将加密后的字节数组转换为Base64编码的字符串
return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);
}
// 解密方法
public static String decrypt(String encryptedText, String secretKey) throws Exception {
// 将密钥转换为AES密钥规范
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(secretKey.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), "AES");
// 创建Cipher实例，并初始化为解密模式
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec);
// 将Base64编码的加密字符串转换为字节数组
byte[] encryptedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedText);
// 对加密的字节数组进行解密
byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);
// 将解密后的字节数组转换为字符串
return new String(decryptedBytes, StandardCharsets.UTF_8);
}
// 生成AES密钥
public static String generateAESKey() throws NoSuchAlgorithmException {
// 创建AES密钥生成器
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);
// 生成AES密钥
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
// 将密钥转换为Base64编码的字符串
return Base64.getEncoder().encodeToString(secretKey.getEncoded());
}
// 主函数，测试加解密功能
public static void main(String[] args) {
try {
// 生成AES密钥
String secretKey = generateAESKey();
System.out.println("生成的AES密钥：" + secretKey);
// 要加密的明文
String plainText = "这是一个需要加密的明文";
System.out.println("原始明文：" + plainText);
// 加密明文
String encryptedText = encrypt(plainText, secretKey);
System.out.println("加密后的文本：" + encryptedText);
// 解密加密后的文本
String decryptedText = decrypt(encryptedText, secretKey);
System.out.println("解密后的明文：" + decryptedText);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}三、AES算法的安全性
AES算法因其复杂的数学基础和强大的混淆与扩散特性，被广泛认可为一种高度安全的对称加密算法。然而，安全是一个相对而非绝对的概念，因此在实际应用中，仍需谨慎处理以下几个关键方面：
密钥管理：密钥的安全性直接关乎加密系统的整体强度。确保密钥不被未授权访问或泄露是至关重要的。这要求采取严格的安全措施来妥善存储、安全传输和适时销毁密钥，以防止任何可能的安全威胁。
模式与填充机制的选择：不同的加密模式和填充机制各有优缺点，适用于不同的应用场景。选择合适的模式和填充机制能够更好地适应加密需求，增强数据的保密性和完整性。因此，根据具体的应用场景和数据特性进行选择是至关重要的。
防范侧信道攻击：侧信道攻击通过监控加密操作过程中的物理信息（如时间消耗、功耗变化等）来间接推断密钥信息。这类攻击难以被传统加密测试手段发现，因此在实现AES算法时，必须注意采用防护措施来抵御侧信道攻击，如恒定时间实现、功耗平衡技术等。
定期评估与更新：随着技术的发展和攻击手段的不断演进，AES算法及其实现方式也需要定期进行安全评估，并根据需要更新密钥、算法或加密策略，以保持系统的安全性。
